CN108697899A - 用于向深植入装置提供无线功率的系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于向植入装置提供无线功率的系统。与一些实施例一致，用于向植入装置提供无线功率的天线系统包括主天线环和至少一个寄生天线环。主天线环配置为从电源接收功率并将功率辐射到植入装置。至少一个寄生天线环配置为吸收一部分辐射功率并且将吸收的功率重新辐射到植入装置。由主天线环辐射的功率和由至少一个寄生天线环重新辐射的功率形成广泛分布在个体皮肤表面的无线功率传输图案，并且当其朝向植入装置行进到个体的身体中时变得更加聚焦。皮肤表面的广泛分布图案降低了传输的比吸收率，同时随着其朝向植入装置行进而聚焦传输改善了天线系统的传输效率。

Description

用于向深植入装置提供无线功率的系统

技术领域

本公开总体涉及无线发电系统。更具体地，且不限于，本公开涉及用于向个体或其他生物体内的植入装置提供无线功率的非侵入式系统。

背景技术

植入装置比如植入个体或其他生物体内的装置可用于各种功能。例如，可以植入内窥镜胶囊以在患者的胃肠道内进行遥测。作为另一示例，可以植入大脑-计算机接口以增强和/或修复各种认知和感觉-运动功能。又一示例是用于感测个体的生理参数的微传感器。这些和其他植入装置可以包括各种子系统，用于收集数据、基于收集的数据提供输出、执行计算和/或执行各种指令。

存在用于为植入装置供电的各种技术和系统。一种技术包括使用离体天线通过无线功率传输向植入装置提供功率。这种方法存在许多挑战和缺点。一个挑战是植入装置可能位于体内深处(例如在皮肤表面下方大于10mm)，因此无线功率信号在到达植入装置之前必须穿过多层身体组织(包括皮肤、脂肪及肌肉层)。结果，无线功率信号在穿过连续的身体组织层时变得越来越衰减，从而导致不良的功率传输效率。

传输效率挑战的一个解决方案是简单地增加离体天线的发射功率。虽然这在某些情况下可能是可行的解决方案，但在人体环境中可能并不理想。实际上，各种政府和卫生法规可能会限制可以辐射到人体内的能量的量。因此，用于提供无线功率的现有系统和方法没有解决有效地向植入装置输送功率同时最小化辐射到人体中的功率量的挑战。

发明内容

本公开包括用于向植入装置无线供电的系统。在说明性实施例中，离体天线系统能够将聚焦的无线功率传输发送到植入装置。

根据一个示例性实施例，提供了一种离体天线系统，用于对植入装置进行无线供电。如本文所公开的，天线系统可以包括主天线环和至少一个寄生天线环。主天线环从电源接收功率并向植入装置辐射功率。至少一个寄生天线环吸收一部分辐射功率并将吸收的功率重新辐射到植入装置。由主天线环辐射的功率和由至少一个寄生天线环重新辐射的功率形成广泛分布在个体皮肤表面的无线功率传输图案，并且当其朝向植入装置行进到个体的身体中时变得更加聚焦。

根据另一示例性实施例，提供了一种离体天线系统，用于对植入装置进行无线供电。在该实施例中，天线系统可以包括：主天线环，用于从电源接收功率并将功率辐射到植入装置；以及多个寄生天线环，用于形成相长干涉图案，其在辐射功率朝向植入装置行进时聚焦辐射功率。

根据又一示例性实施例，公开了一种用于对植入装置进行无线供电的离体天线系统。如本文所公开的，天线系统可包括：主天线环，用于从电源接收功率并将功率辐射到植入装置；匹配网络，用于将主天线环连接到电源；以及多个寄生天线环，用于降低个体皮肤表面的辐射功率的比吸收率，并通过在辐射功率向植入装置行进时聚焦辐射功率来提高辐射功率的传输效率。主天线环和匹配网络印刷在基板的第一表面上，而寄生天线环印刷在基板的第二表面上。

在详细解释本公开的示例性实施例之前，应理解的是，本公开不限于其应用于构造的细节和在以下描述中阐述的或在附图中示出的部件的布置。除了所描述的那些实施例之外，本公开还能够以各种方式实践和实施。而且，应该理解，本文以及摘要中使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。

因此，本领域技术人员将理解，本公开所基于的概念和特征可以容易地用作设计用于实现本公开的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。此外，权利要求应被视为包括这样的等同构造，只要它们不脱离本公开的精神和范围即可。

附图说明

附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，并与具体实施方式一起示出并用于解释各种示例性实施例的原理。

图1是用于实现与本公开一致的实施例的示例性系统环境的图。

图2是图1中所示的示例性系统环境的一部分的横截面图。

图3是用于提供具有缺少光束聚焦特性的单环设计的无线功率的示例性天线系统的图示。

图4A和4B示出了图3中所示的示例性天线系统的各种性能特征。

图5A和5B示出了根据本公开实施例的用于提供无线功率的天线系统的示例性实施例。

图6A和6B示出了根据本公开实施例的示例性天线环的详细视图。

图7A-7C示出了与图5A和5B中所示的示例性天线系统相关的各种性能特性。

具体实施方式

本公开的实施例提供了用于向植入装置提供功率的改进系统。所公开的系统能够最大化在植入装置处接收的功率量，同时最小化其中植入装置的身体所吸收的功率量。所公开的系统能够用于向植入在不同深度的装置提供功率，包括在皮肤表面下方10-150mm的深度。

根据一些实施例，所公开的系统可以包括能够无线地向植入装置辐射功率的离体天线系统。随着辐射功率进一步进入身体，它变得越来越衰减。为了对抗这种衰减，并且为了最大化在植入装置处接收的功率量，同时最小化身体的功率量，所公开的天线系统能够在辐射功率进一步进入身体时聚焦辐射功率。可以通过例如主天线环和一个或多个寄生天线环的组合来实现聚焦。主天线环可以接收由电源产生的功率并且可以辐射所产生的功率。寄生环(也称为无源辐射器)吸收一些辐射功率并将吸收的功率重定向到植入装置。因此，初级环和寄生环的组合能够形成有效的无线功率传输图案，该图案广泛地分布在皮肤表面，同时随着其进入身体朝向植入装置而变得越来越聚焦。因此，可以最小化由不良天线方向性导致的由身体吸收的功率(以比吸收率测量)，同时可以通过使用相长干涉图案来提高功率传输效率。

现在将详细参考根据本公开实现的实施例，其示例在附图中示出。只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

图1描绘了用于实现本公开实施例的示例性系统环境100。如图1所示，系统环境100包括许多部件。从本公开中可以理解，这些部件的数量和布置仅是示例性的，并且出于说明的目的而提供。在不脱离本公开的教导和实施例的情况下，可以使用其他布置和数量的部件。

如图1的示例性实施例所示，系统环境100包括植入装置120和功率系统130。在一些实施例中，植入装置120位于受试者110中。受试者110可以是人类受试者、动物受试者或任何其他类型的活体受试者。在一些实施例中，植入装置120可以是厘米植入装置(即各个尺寸至少为1厘米的装置)、毫米植入装置(即各个尺寸小于1厘米但至少1毫米的装置)或亚毫米植入装置(即各个尺寸小于1毫米的装置)。如图1所示，植入装置120包括天线系统和整流器，用于从功率系统130无线地接收功率并将接收的功率转换为DC以供植入装置120的子系统使用。植入装置120能够植入在受试者110体内不同的位置以及不同深度处。虽然植入装置120在图1中示出为植入在受试者110的手臂中，但还可以预期其他植入物位置，并且所示出的示例决不是要限制本公开。

植入装置120可以包括用于执行各种功能的一个或多个子系统。植入装置的示例包括：前庭假体，其具有用于增强和/或修复受试者110的前庭系统的一个或多个功能的子系统；微传感器或遥测装置，其具有用于收集关于受试者110的各种身体系统的数据的子系统；大脑-计算机接口装置，其具有用于感测受试者110的大脑活动并将感测到的信号转换为用于执行各种物理动作的指令的子系统；药物输送装置；神经刺激装置；和疼痛刺激装置。然而，其他示例性植入装置可以与所公开的实施例结合使用，并且所列举的示例决不旨在限制本公开的范围。

功率系统130可以包括一个或多个离体天线系统132和一个或多个电源134。天线系统132能够使用来自电源134的功率以各种无线电频率发送和接收信号。例如，电源134可以产生功率并将其提供给天线系统132，并且天线系统132可以无线地辐射所产生的功率。每个电源134可以通过使用任何传统的发电系统来实现，比如便携式(例如电池操作的)或固定的(例如实验室电源)电源、可变或恒定电源等。在一些实施例中。每个天线系统132与单个电源134配对。在其他实施例中，电源134可以向一个或多个天线系统132提供功率，或者每个天线系统132可以从一个或多个电源134接收功率。

每个天线系统132可以包括一个或多个天线元件(这里称为环)。天线系统132的设计方面(例如环位置、间隔、尺寸和功率、信号频率等)可以针对不同的植入装置120、不同的应用(例如不同的受试者110)、不同的植入位置等进行优化。例如，一些天线系统132可被设计成靠近受试者110的皮肤(例如在受试者110的皮肤上或距离皮肤几毫米)。其他天线系统132可以设计成更远离。因此，这些位置差异可能会驱动天线尺寸、环间隔、信号频率等。

传输信号150可以包括指令例如比如用于植入装置120的指令以通过捕获关于其被植入的环境的数据来执行遥测。传输信号150可以替代地或另外包括足够的功率，用于向植入装置120提供功率以运行包括在植入装置120中的任何子系统。接收的信号可以包括数据，例如比如感测或测量的数据、静止图像、视频、音频等。

天线系统132可以使用各种近场或中场传输技术来发送和接收数据和功率。这些技术可以包括非辐射传输技术，比如近/中场耦合。近/中场耦合的示例包括电感耦合和电容耦合。在一些实施例中，在功率系统130和植入装置120通过电感耦合进行通信的情况下，天线系统132可以生成磁近场以将数据和/或功率传输到植入装置120。在一些实施例中，在功率系统130和植入装置120通过电容耦合进行通信的情况下，天线系统132可以生成电近场以将数据和/或功率传输到植入装置120。

图2示出了图1中所示的示例性系统环境100的横截面视图200。如横截面视图200所示，植入装置120可植入受试者110的肌肉层240。天线系统132可通过受试者110的皮肤层220、脂肪层230和肌肉层240无线地向植入装置120传输功率。受试者110的每个层220-240可以向天线系统132的传输提供不同级别的衰减。天线系统132可以保持靠近受试者110的皮肤层220，留下不同距离的气隙210(例如5-10毫米)。虽然天线系统132可以直接保持在皮肤层220上，但是在天线系统132和皮肤层220之间留下气隙210可以充当绝缘体，其有助于最小化调谐缺陷并稳定天线系统132的传输频率。尽管在图2所示的示例中，气隙210用于将天线系统132与皮肤层220隔离，但可以使用其他电绝缘体。电隔离器的示例包括玻璃、陶瓷、纸、

A.B.S.、丙烯酸、玻璃纤维和尼龙。在一些实施例中，天线系统132可以包装在绝缘材料中以实现与提供气隙210类似的结果。

图3示出了具有单个天线环310的示例性天线系统300，用于向植入装置提供功率。环310可以是圆形的并且可以物理地耦合到天线系统300的一侧的表面。电源可以向天线系统300提供功率。天线系统300可以通过环310辐射功率来向一个或多个植入装置无线地提供功率。

图4A和4B是与图3的单环天线系统300相关的各种性能特性的图形表示。图4A是示出由天线系统300辐射的RF电磁能量的比吸收率和分布的俯视图的热图。热图的强度表示比吸收率，其是RF电磁能量被吸收到人体内的速率。如图4A所示，天线系统300的功率分布在环310周围大部分是均匀的，除环310左侧的热点之外。然而，随着向内辐射并远离环310，功率强度迅速下降，导致xy平面中的分布均匀性差。

图4B是示出SAR的横截面图和由单环天线系统300辐射的电磁能量分布的热图。如图4B所示，随着传输的电磁能量朝向植入装置120辐射到身体中，天线系统300的比吸收率迅速下降。天线系统300的信号穿透不良的主要原因之一是缺乏光束聚焦能力。从植入装置辐射出大量功率，从而导致较差的功率传递效率和增加的比吸收率。

图5A和5B示出了根据本公开实施例的示例性天线系统500。天线系统500可用于实现图1的天线系统132的一个或多个方面，同时解决了上述天线系统300的一个或多个缺点。如图5A和5B所示，天线系统500包括主天线环510、匹配网络520和一个或多个寄生天线环530。从本公开中可以理解，这些部件的数量和布置仅是示例性的并且是出于示出的目的而提供。在不脱离本公开的教导和实施例的情况下，可以使用其他布置和数量的部件。举例来说，在一些实施例中，天线系统500可以实现为具有大约75mm半径的盘形结构，如图5A所示。还可以实现其他尺寸和结构，与本公开的教导一致。

图5A示出了天线系统500的初级侧。主环510和匹配网络520可以物理地耦合到初级侧的表面。电源(例如图1的电源134)可以通过匹配网络520向主环510提供功率。匹配网络520可被实现为电路部件的网络(例如电容器、电阻器、电感器等)，并且可以用于使天线系统500的阻抗与所需工作频率下的电源的输入阻抗相匹配。因此，匹配网络520中包括的部件的配置可取决于各种设计特性，比如天线系统500的发射频率、主环510和寄生环530的大小和布置等。

图5B示出了天线系统500的次级侧。在一些实施例中，次级侧可以是天线系统500的与初级侧相对的一侧。在一些实施例中，次级侧可以是堆叠在初级侧的顶部上的层。如图5B所示，一个或多个寄生天线环530可以物理地耦合到次级侧的表面。寄生环530可以定位成吸收由主环510辐射的一些功率，否则这些功率将辐射远离植入装置120并被受试者110的身体吸收。寄生环530可以重新辐射吸收的功率，从而聚焦由天线系统400向植入装置120辐射的总功率。因此，寄生环530的定位形成相长干涉图案，其改善由天线系统500辐射的功率的方向性。

可以调节天线系统500的各种设计特性中的一个或组合，以便最大化天线系统500针对不同应用的聚焦或方向性。可以调节的一个设计特性是主环510和寄生环530的尺寸。例如，虽然主环510和寄生环530在图5A和5B中示出为都是相同尺寸，但主环510和一个或多个寄生环530可以是不同的尺寸和/或一个或多个寄生环530的尺寸可以不同。还可以调节(例如增加或减少)天线系统500中包括的主元件510和/或寄生环530的数量。可以调节的另一设计特性是主环510和寄生环530之间的间隔和/或寄生环530之间的间隔。例如，虽然图5A和5B中的主环510和寄生环530之间没有重叠，但是一个或多个寄生环530可以彼此重叠，一个或多个寄生环530和主环510可以彼此重叠，或者它们的任何组合。可以调节的另一设计特性是主环510和寄生环530的形状。例如，主环510和寄生环530可以是六边形、正方形、圆形或任何其他对称、不对称或无定形形状，或者它们的组合。还可以调节主环510和/或寄生环530的取向。例如，虽然主环510和寄生环530在图5A和5B中示出为在xy平面上彼此平行，但主环510和寄生环530中的任何一个都可以围绕一个或多个三维轴旋转。

天线系统500的设计特性的变化改变了寄生环530之间以及主环510和寄生环530之间的电感和电容耦合性能，这又改变了天线系统500的相长干涉图案的特性。因此，可以调节天线系统500的设计特性以适应植入装置120的不同形状和尺寸、不同的植入深度(以及通过扩展的不同衰减水平)、天线系统500旨在被保持的不同位置(例如在皮肤上、靠近皮肤等)，以及确保用于天线系统500的功率系统(例如图1的功率系统130)符合所有适用的政府和健康/安全法律以及法规。

天线系统500可以通过各种配置和机电结构来实现。例如，天线系统500可以包括诸如脊状印刷电路板的基板或形成为佩戴天线系统500的受试者110的主体形状的柔性基板。可以根据一个或多个设计参数(例如待供电的植入装置的尺寸和深度、植入装置所需的功率量等)来选择基板的尺寸和形状。可以在其上印刷主环510、匹配网络520和寄生环530。可以使用一种或多种类型的脊状和/或柔性导电材料(例如铜、金、银、铝等)来印刷元件510-530。尽管主环510和匹配网络520可以印刷在基板的相对一侧上作为寄生环530，但还可以预期其他配置而不脱离本公开的范围。例如，元件510-530可以全部印刷在基板的同一侧上，或者一个或多个寄生环530可以印刷在基板的相对侧上。

另外，可以将附加的天线环的层添加到天线系统500。例如，具有沉积在其上的多个堆叠层的基板的天线系统可以具有包括主环510的沉积在基板上的第一层、包括沉积在主环510层的顶部上的一个或多个寄生环530的第二层、以及沉积在第一层寄生环530的顶部上的一层或多层附加寄生环530。每层寄生环530可具有类似于或不同于一个或多个其他层寄生环530的设计特性(例如加载电容、尺寸、形状、间隔和寄生环530的数量等)。

图6A和6B分别示出了图5A和5B中所示的天线阵列500的主天线环510和寄生天线环530的详细视图。如图6A和6B的示例性实施例所示，主天线环510和寄生天线环530可以实现为六边形结构。举例来说，六边形结构的每个区段可以具有约25mm的长度，如图6B所示。如将理解的，可以实现其他尺寸和结构形状，与本公开的教导一致。

在一些实施例中，主环510、匹配网络520和寄生环530可以包括一个或多个加载部件610。加载部件610可包括电容器、电感器、电阻器和/或其他电子电路部件。加载部件610的特性(例如电容、电感等)和布置可以确定主环510和寄生环530的加载电容。举例来说，在图6A和6B中，主环510可以具有约8.0pF的加载电容，并且每个寄生环530可以具有约7.5pF的加载电容。在一些实施例中，可以选择加载部件610的特性和布置，以确保在加载部件610被周期性地加载时在主环510和每个寄生环530的区域内产生均匀的磁场分布。主环510上的加载部件610的特性和布置可以与寄生环530上的加载部件610的特性和布置相同或不同。例如，可以选择加载部件610的特性和布置，使得主环510具有与寄生环530不同的总加载电容。类似地，加载部件610的特性和布置在一个或多个寄生环530之间可以相同或不同。

图7A-7C是与图5A和5B的天线系统500相关的各种性能特性的图形表示。图7A是示出由天线系统500辐射的RF电磁能量的比吸收率和分布的三维视图的热图。图7B是示出由天线系统500辐射的RF电磁能量的比吸收率和分布的俯视图的热图。图7C是示出由天线系统500辐射的RF电磁能量的比吸收率和分布的横截面图的热图。

如图7A-7C所示，由天线系统500辐射的功率在受试者110的皮肤表面处的主环510和寄生环530周围广泛均匀地分布。因此，对于给定的功率传输水平，与天线系统300相比，每面积或每体积由人体组织吸收的功率(作为SAR的测量)对于天线系统500的功率传输而言明显更小。此外，不同于天线系统300，由于寄生环530产生的相长干涉图案，天线系统500辐射的功率随着其进一步传播到身体中而变得更加集中。因此，与天线系统300的功率传输效率相比，由天线阵列500的聚焦特征提供的改进的方向性导致对植入装置120的更大的功率传输效率，同时使进入受试者110的身体中的功率损耗最小化。

在前面的说明书中，已经参考附图描述了各种示例性实施例和特征。然而，显而易见的是，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施例和特征，而不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明的更宽范围。例如，如果所公开的系统中的部件以不同的方式组合和/或由其他部件替换或补充，则仍然可以获得有利的结果。其他实施方式也在以下示例性权利要求的范围内。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。此外，意图是所公开的实施例和示例仅被视为示例性的，本公开的真实范围由所附权利要求及其等同物指示。

Claims (20)

1.一种用于向植入个体体内的装置提供无线功率的天线系统，包括：

主天线环，用于从电源接收功率并将功率朝向植入装置辐射；和

至少一个寄生天线环，用于吸收一部分功率并将吸收的功率朝向植入装置重新辐射，

其中，由主天线环辐射的功率和由至少一个寄生天线环重新辐射的功率形成无线功率传输图案，该无线功率传输图案分布在个体的皮肤表面，并且当其朝向植入装置进入个体体内时变得更加聚焦。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述主天线环和所述至少一个寄生天线环印刷在基板上。

3.根据权利要求2所述的天线系统，其中，所述主天线环和所述至少一个寄生天线环印刷在所述基板的同一表面上。

4.根据权利要求2所述的天线系统，其中：

所述主天线环印刷在第一表面上；并且

所述至少一个寄生天线环印刷在所述基板的第二表面上，所述第一表面和第二表面是不同的表面。

5.根据权利要求4所述的天线系统，其中，所述第一表面和第二表面位于所述基板的相对侧上。

6.根据权利要求4所述的天线系统，其中，所述第二表面堆叠在所述第一表面的至少一部分的顶部上。

7.根据权利要求2所述的天线系统，其中，所述至少一个寄生天线环包括多个寄生天线环。

8.根据权利要求7所述的天线系统，其中，所述寄生天线环的一部分在所述基板上重叠。

9.根据权利要求7所述的天线系统，其中，所述寄生天线环是相同的形状。

10.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述主天线环和所述至少一个寄生天线环包括周期性地加载的加载电容器，以形成均匀的磁场分布。

11.根据权利要求10所述的天线系统，其中，所述主天线环的加载电容不同于所述至少一个寄生天线环的加载电容。

12.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述主天线环和所述至少一个寄生天线环是不同的形状。

13.根据权利要求1所述的天线系统，还包括：

匹配网络，其将所述主天线环连接到所述电源，所述匹配网络用于将所述天线系统的阻抗与所述电源的阻抗相匹配。

14.一种用于向植入个体体内的装置提供无线功率的天线系统，包括：

主天线环，用于从电源接收功率并将功率朝向植入装置辐射；和

多个寄生天线环，用于形成相长干涉图案，当辐射功率朝向植入个体体内的装置行进时，所述相长干涉图案聚焦辐射功率。

15.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述主天线环的加载电容不同于所述寄生天线环的加载电容。

16.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述主天线环和所述寄生天线环印刷在柔性基板上。

17.根据权利要求14所述的天线系统，还包括：

匹配网络，其将所述主天线环连接到所述电源，所述匹配网络用于将所述天线系统的阻抗与所述电源的阻抗相匹配。

18.根据权利要求14所述的天线系统，其中，使用金、铜和银中的至少一种将所述主天线环和所述寄生天线环印刷在基板上。

19.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述主天线环的尺寸不同于所述寄生天线环的尺寸。

20.一种用于向植入个体体内的装置提供无线功率的天线系统，包括：

主天线环，用于从电源接收功率并将功率朝向植入装置辐射，所述主天线环印刷在基板的第一表面上；

匹配网络，其将所述主天线环连接到所述电源，所述匹配网络印刷在所述第一表面上；以及

多个寄生天线环，用于降低个体皮肤表面的辐射功率的比吸收率，并通过在辐射功率朝向植入装置行进时聚焦辐射功率来提高辐射功率的传输效率，所述寄生天线环印刷在基板的第二表面上。